太陽(yáng)能光伏組件熱斑效應(yīng)的檢測(cè)與控制措施研究

摘 要：在光伏組件長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)一些影響光伏組件性能的質(zhì)量問(wèn)題，如“熱斑效應(yīng)”、“EVA黃變”、“隱裂”等，直接影響到光伏組件的發(fā)電效率和使用壽命，從光伏組件性能的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)分析，其中“熱斑效應(yīng)”對(duì)光伏組件性能影響最大，已成為導(dǎo)致光伏組件損壞、發(fā)生火災(zāi)、發(fā)電功率下降的主要因素，對(duì)光伏發(fā)電項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益，光伏電站安全運(yùn)行等都帶來(lái)了嚴(yán)重影響。因此，為了控制“熱斑效應(yīng)”的危害，我們通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)、研究分析其形成原因，制定有效的控制措施，保證光伏光伏組件發(fā)電項(xiàng)目的安全、高效運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：光伏組件；熱斑效應(yīng)；控制措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.062

1 引言

能源是推動(dòng)當(dāng)今社會(huì)前進(jìn)的動(dòng)力，傳統(tǒng)的煤炭、石油、天然氣等化石能源及新興的核能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮茉吹裙餐苿?dòng)著社會(huì)的進(jìn)步，現(xiàn)當(dāng)人們拼命消耗能源，發(fā)展經(jīng)濟(jì)時(shí)，我們也面臨著一個(gè)新的困境，一是傳統(tǒng)能源數(shù)量逐漸減少，二是在使用這些傳統(tǒng)能源時(shí)，這些能源所產(chǎn)生的排放物對(duì)環(huán)境造成的危害問(wèn)題也變得日益突出。在這個(gè)時(shí)候，人們都希望有一種無(wú)污染、無(wú)排放、可再生的能源，希望可以通過(guò)這種能源來(lái)替代原有的類(lèi)的能源供給結(jié)構(gòu)，以保障今后的可持續(xù)發(fā)展。這時(shí)太陽(yáng)能獲得了人們的關(guān)注，這主要因?yàn)樘?yáng)能資源豐富，取之不盡、用之不竭、無(wú)污染且能為人類(lèi)自由開(kāi)發(fā)利用的天然資源。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電就是利用太陽(yáng)能組件直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成電能，運(yùn)用的是光生伏特效應(yīng)原理，根據(jù)此原理，太陽(yáng)能組件吸收太陽(yáng)輻射能量，將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能，最后通過(guò)一系列的轉(zhuǎn)變處理，將此電能轉(zhuǎn)換成我們可以直接利用的電能的過(guò)程。光伏發(fā)電系統(tǒng)中的主要設(shè)備包括光伏組件、匯流箱、逆變器、升壓變壓器、電力電纜及監(jiān)控系統(tǒng)等，而在這些設(shè)備里，光伏組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)中最核心的設(shè)備，光伏組件光電轉(zhuǎn)換率的高低和使用壽命直接決定了太陽(yáng)能光伏發(fā)電陣列發(fā)電量和經(jīng)濟(jì)效益的多少，因此提高光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率和使用壽命是太陽(yáng)能光伏發(fā)電項(xiàng)目成功的關(guān)鍵。

在光伏組件長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)一些影響光伏組件性能的質(zhì)量問(wèn)題，如“熱斑”、“EVA黃變”、“隱裂”等，直接影響到光伏組件的發(fā)電效率和使用壽命，從光伏組件性能的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)分析，其中“熱斑效應(yīng)”對(duì)光伏組件性能影響最大，已成為導(dǎo)致光伏組件損壞、發(fā)生火災(zāi)、發(fā)電功率下降的主要因素，對(duì)光伏發(fā)電項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益，光伏電站安全運(yùn)行等都帶來(lái)了嚴(yán)重影響。因此，為了控制“熱斑效應(yīng)”的危害，我們通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)、研究分析其形成原因，制定有效的控制措施，保證光伏光伏組件發(fā)電項(xiàng)目的安全、高效運(yùn)行。

2 “熱斑效應(yīng)”的概念

當(dāng)光伏組件中一串聯(lián)支路中出現(xiàn)被遮蔽、裂紋、氣泡、脫層、臟污、內(nèi)部連接失效的情況后，相應(yīng)的這一串聯(lián)支路的電流與電壓之積增大，而該光伏組件串被當(dāng)作負(fù)載消耗了其它有光照的光伏組件串所產(chǎn)生的能量后，從而在這些光伏組件串上產(chǎn)生了局部溫升，這種現(xiàn)象我們稱(chēng)之為“熱斑效應(yīng)”。

“熱斑效應(yīng)”是影響光伏組件使用壽命和輸出功率的重要因素，可造成電池永久性損壞，造成組件封裝材料老化、焊點(diǎn)熔化、破壞柵線(xiàn)、局部燒毀形成暗斑等缺陷，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，“熱斑效應(yīng)”能減少10%以上的太陽(yáng)能光伏組件使用壽命，是產(chǎn)生光伏組件安全隱患和整個(gè)方陣失效的重要因素，是光伏組件內(nèi)阻和暗電流變化的主要原因。

3 “熱斑效應(yīng)”的成因

（1）硅材料自身的質(zhì)量問(wèn)題引起的電池性能不一致，產(chǎn)生“熱斑效應(yīng)”。

（2）電池制造工藝不符合標(biāo)準(zhǔn)，由電池質(zhì)量缺陷引起的“熱斑效應(yīng)”。

（3）電池被陰影遮蔽，引起的“熱斑效應(yīng)”。

本文主要研究光伏組件被陰影遮蔽時(shí)，引起的“熱斑效應(yīng)”。

3.1 光伏組件發(fā)電原理

如果太陽(yáng)光照射在光伏組件上，并且光現(xiàn)在界面層被吸收后，將在硅半導(dǎo)體的PN結(jié)上產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，P型硅半導(dǎo)體端產(chǎn)生空穴，N型硅半導(dǎo)體端產(chǎn)生電子，在PN結(jié)內(nèi)部電場(chǎng)的作用下，光生空穴流向P區(qū)，光生電子流向N區(qū)，并且空穴和電子分別在硅導(dǎo)體兩端聚集，產(chǎn)生電位差，這時(shí)將導(dǎo)體兩端用電極接通后，系統(tǒng)就形成了一個(gè)閉合回路，就有電流產(chǎn)生，這就是硅電池PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)。當(dāng)具體說(shuō)，當(dāng)光伏組件在界面層吸收到足夠的能量后，就能激發(fā)出P型硅半導(dǎo)體和N型硅半導(dǎo)體共價(jià)鍵中的電子，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)現(xiàn)象，由于受到內(nèi)部電場(chǎng)的作用，N區(qū)帶正電聚集了電子，P區(qū)帶負(fù)電聚集了空穴，即在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生了電壓。通過(guò)光伏組件所吸收的能量來(lái)分析，吸收的能量越多，產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)就越多，電流就越大。光伏組件的面積越大，形成的電流也越大。下圖為硅半導(dǎo)體P區(qū)、N區(qū)的電荷運(yùn)動(dòng)情況圖1：

3.2 “熱斑效應(yīng)”形成原因

太陽(yáng)能電池局部被遮擋后，電池不能正常吸收光能，就阻斷了硅半導(dǎo)體光電效應(yīng)的發(fā)生，遮擋部位的電池片PN結(jié)就保持了電中性，處于禁止?fàn)顟B(tài)；而與其相鄰電池組正常發(fā)生光電效應(yīng)，就產(chǎn)生了硅半導(dǎo)體P極電壓高于N極電壓的現(xiàn)象，在遮擋電池片兩側(cè)形成了電位差，產(chǎn)生了電壓 ；被遮擋電池片的內(nèi)阻和暗電流也發(fā)生了明顯變化，成為了耗電部件，產(chǎn)生了P極向N極的正向?qū)娏?，電流通過(guò)耗電部件（即內(nèi)阻）就會(huì)產(chǎn)生熱量，電池片在長(zhǎng)時(shí)間遮擋過(guò)程中，就會(huì)被積累的熱量燒毀，導(dǎo)致整個(gè)電池組串停止供電，從而影響光伏組件的正常運(yùn)行。

3.3 “熱斑效應(yīng)”發(fā)生時(shí)的光伏組件上電流變化情況

當(dāng)發(fā)生“熱斑效應(yīng)”時(shí)，光伏組件遮擋部位不能正常吸收光能，電池產(chǎn)生的電流變小，當(dāng)該光伏組件產(chǎn)生的電流小于電路的電流時(shí)，光伏組件成為串聯(lián)電路的接入負(fù)載，消耗能量，產(chǎn)生熱量，從而產(chǎn)生“熱斑效應(yīng)”。

為了分析“熱斑效應(yīng)”發(fā)生時(shí)的電流變化情況，我們利用等效電路的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行電池內(nèi)阻和暗電流變化的情況分析，具體如下圖2所示：

“熱斑效應(yīng)”電流公式如下式（1）：

IPh=IL+Id+Ipa+Ise （1）

式中所示，當(dāng)光伏組件正常工作時(shí)，光生電流IPh在三個(gè)環(huán)節(jié)被消耗了，一是負(fù)載消耗了（IL），二是內(nèi)阻消耗了（Ipa+Ise），三是等效二極管消耗了（Id），當(dāng)出現(xiàn)熱斑現(xiàn)象時(shí)，光生電流Ipa、Ise、Id增大，三者之和增加至一定值時(shí)，單體電池片就會(huì)被擊穿。

4 光伏組件熱斑檢測(cè)

4.1 檢測(cè)工具及條件

紅外熱成像儀：就是將被測(cè)目標(biāo)的不可見(jiàn)紅外線(xiàn)輻射能量分布狀態(tài)，通過(guò)紅外探測(cè)器和光學(xué)成像物鏡反映到紅外探測(cè)器的光敏元件上，將其轉(zhuǎn)化為紅外熱像圖，使熱像圖與被測(cè)物體表面的能量分布狀態(tài)相一致，并用不同顏色表示被測(cè)物體的不同溫度，方便儀器操作者觀(guān)察被測(cè)物體的能量分布狀態(tài)。組件熱成像如下圖3。

光伏組件在檢測(cè)熱斑前，要清除組件表面的污物，并擦拭干凈；要避免異物、檢測(cè)儀器、測(cè)試人員等對(duì)測(cè)試組件的遮擋；選擇溫度為：25度，空氣質(zhì)量為：AM1.5。

光照強(qiáng)度為：1000w/m2左右的環(huán)境條件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)人員在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，用熱成像儀對(duì)運(yùn)行中的光伏組件進(jìn)行熱斑檢測(cè)，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)；通常在夏季、秋初的上午11時(shí)---下午16時(shí)之間的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行熱斑檢測(cè)最好，由于各區(qū)域的地理分布不同，太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度等也有不同，熱斑檢測(cè)的最佳時(shí)間段也會(huì)相應(yīng)不同。

4.2 熱斑判斷

光伏組件在正常工作時(shí)的溫度是不穩(wěn)定的，通常認(rèn)為在30℃±6時(shí)，當(dāng)局部溫度與相鄰區(qū)域的溫差>6℃時(shí)，可認(rèn)為組件局部為熱斑區(qū)域；由于組件熱斑檢測(cè)在輻照度、環(huán)境溫度、組件輸出功率、熱斑形成原因、組件工作溫度等因素的影響下，可能會(huì)出現(xiàn)判斷誤差，因此，我們應(yīng)依據(jù)熱成像儀上采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。光伏組件被長(zhǎng)時(shí)間遮擋的熱斑成像、組件燒損處的熱斑成像和組件裂紋處的熱斑成像圖互不相同。（以下圖片為組件局部的熱斑成像圖4-圖6）

4.3 熱斑效應(yīng)“耐久試驗(yàn)”的檢測(cè)

為保證光伏組件使用的可靠性和耐久性，需要對(duì)太陽(yáng)能光伏組件進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)其承受熱斑加熱的能力，這種檢測(cè)光伏組件承受熱斑加熱能力的試驗(yàn)叫熱斑“耐久試驗(yàn)”。熱斑“耐久試驗(yàn)”內(nèi)容需嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)GB/T9535的要求進(jìn)行，當(dāng)檢測(cè)結(jié)果滿(mǎn)足試驗(yàn)以下二個(gè)條件時(shí)，才可判定組件“熱斑效應(yīng)”檢測(cè)合格，條件如下：

a） 太陽(yáng)光伏組件無(wú)嚴(yán)重外觀(guān)缺陷；

b） 太陽(yáng)光伏組件最大輸出功率的衰減不超過(guò)試驗(yàn)前測(cè)試值的5%；

5 控制“熱斑效應(yīng)”的措施

在光伏組件上加裝旁路二極管。為避免產(chǎn)生“熱斑效應(yīng)”，光伏組件在制備過(guò)程中會(huì)在相鄰組串之間反向偏置并聯(lián)一旁路二極管。一般情況下，旁路二極管處于反偏壓，對(duì)光伏組件的正常工作無(wú)影響，當(dāng)光伏組件被遮擋時(shí)，二極管導(dǎo)通，避免了光伏組件的過(guò)熱損壞，并且被遮擋光伏組件串只影響所在一塊光伏組件的發(fā)電能力。

（1）為證明加裝二級(jí)管對(duì)控制熱斑的有效性，進(jìn)行仿真試驗(yàn)，根據(jù)仿真試驗(yàn)，測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，加裝二極管可明顯降低遮擋電池兩側(cè)電壓，避免過(guò)大電流通過(guò)，產(chǎn)生高熱，擊穿電池片。

（2）加裝二極管后，光伏組件的I-V變化趨勢(shì)如下圖7。

通過(guò)圖示可明確反映電壓和電流的變化關(guān)系，加裝二極管后電流減小幅度明顯。

6 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)光伏組件“熱斑效應(yīng)”產(chǎn)生的原因，物理學(xué)原理，電流變化情況分析、熱斑檢測(cè)方法、耐久試驗(yàn)檢測(cè)方法等方面進(jìn)行了分析與研究，提出了加裝二極管控制熱斑效應(yīng)的措施，并通過(guò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了二極管控制組件熱斑效應(yīng)的有效性，為 “熱斑效應(yīng)”提出了有效的控制措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔巖，蔡炳煌.太陽(yáng)能光伏模板仿真模型的研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，18（04）：827-831.

[2]楊康，李景天，劉祖明，馬銘，馬遜，許海園，謝明達(dá)，趙冬陽(yáng).光伏電站熱斑測(cè)試研究[J]. 云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2015，35（02）：45-48.

[3]賴(lài)宇寧，宋記鋒，李建昌，魯俊良.利用PVT組件降低熱斑效應(yīng)危害的研究[J].科技雜志，2015，13（20）：64-65.

[4] GB/T9535，地面用晶體硅光伏組件設(shè)計(jì)鑒定的試驗(yàn)方法[S].

作者簡(jiǎn)介：賈力（1979-），女，寧夏人，在職研究生，研究方向：太陽(yáng)能光伏發(fā)電。